应用成果

DOI:10.1016/j.est.2026.123120

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超级电容器的能量存储能力强烈依赖于碳电极的孔结构。本研究以2,6-二氨基吡啶（DAP）和过硫酸铵的聚合物为前驱体，SiO₂为硬模板，首先经管式炉碳化得到碳纳米颗粒，随后与KOH混合，通过快速焦耳热（FJH）处理仅4秒，成功制备了氮氧共掺杂的分级多孔碳（FJH-HPC-X）。通过调控KOH比例，可精确控制孔径，获得大量小于0.76 nm的超微孔和约1.3 nm的大微孔，这些尺寸与水性及有机电解质中离子尺寸完美匹配。孔道对离子的部分去溶剂化效应使离子更接近电极表面，从而提升电容。同时，氮氧共掺杂改善了材料的导电性和表面润湿性。最优样品FJH-HPC-2在三电极体系中，于1 A/g下比电容高达406.9 F/g，10,000次循环后容量保持率99.81%。组装对称器件后，在TEATFB/AN有机电解液中，电压窗口达2.4 V，能量密度达30.17 Wh/kg（功率密度1200 W/kg）。该工作展示了快速焦耳热与孔工程、杂原子调制的协同策略在构建高性能碳电极方面的巨大潜力。

背景介绍

超级电容器因其高功率密度和长循环寿命而备受关注，但能量密度偏低制约其大规模应用。碳材料的孔结构是决定电容性能的关键因素：微孔（<2 nm）提供高比表面积，但过小的孔径阻碍离子传输；介孔（2–50 nm）作为离子快速通道，却贡献电容有限。孔径与电解质离子尺寸的匹配是实现高比电容与高倍率性能平衡的核心。当孔径与部分去溶剂化的离子尺寸相近时，离子可有效进入孔道并发生去溶剂化，缩短离子核与电极表面的距离，提升电容。此外，氮/氧杂原子掺杂可改善碳材料的导电性、表面极性和赝电容活性。传统制备多孔碳方法耗时长，且难以精准控制孔径。快速焦耳热可在秒级时间内升温至目标温度并快速冷却，为快速造孔和保留杂原子提供了新途径。本研究利用FJH结合KOH活化，在4秒内构建了离子尺寸匹配的分级多孔碳，并系统研究了其结构与性能关系。

本文亮点

（1）超快速制备（4秒）：快速焦耳热（升温速率~200 ℃/s）结合KOH活化，将前驱体快速转化为分级多孔碳，远快于传统管式炉数小时工艺。

（2）离子尺寸匹配孔道：通过调控KOH比例，获得大量小于0.76 nm的超微孔和约1.3 nm的大微孔。这些尺寸与TEATFB/AN电解质中TA⁺（~1.3 nm）和BF₄⁻（~1.1 nm）以及水合K⁺/OH⁻尺寸高度匹配，促进离子部分去溶剂化，缩短离子与电极距离，提升电容。

（3）优异电化学性能：三电极体系中比电容406.9 F/g（1 A/g），10,000圈保持率99.81%；对称器件在TEATFB/AN中电压窗口2.4 V，能量密度30.17 Wh/kg（功率密度1200 W/kg）。

（4）氮氧共掺杂：FJH快速加热-冷却有效保留杂原子（N含量10.38%，O含量34.50%），增强表面润湿性并提供额外赝电容。

图文解析

图1：样品形貌与元素分布

(a) 原始碳纳米颗粒的SEM图像；(b-d) FJH-HPC-1、FJH-HPC-2和FJH-HPC-3的SEM图像；(e,f) FJH-HPC-2的TEM图像；(g) FJH-HPC-2的EDS元素面分布。

原始CNPs（图1a）呈颗粒状。KOH量较低时（FJH-HPC-1，图1b）结构保持完整；适量KOH（FJH-HPC-2，图1c）形成均匀分级多孔结构；过量KOH（FJH-HPC-3，图1d）导致孔结构塌陷。TEM（图1e,f）证实FJH-HPC-2具有相互连接的微孔和介孔。EDS（图1g）显示C、N、O均匀分布，证明杂原子成功掺杂。

图2： 结构表征与孔特性

(a,b) CNPs和FJH-HPC-X的XRD谱图；(b) 拉曼光谱；(c) CNPs和FJH-HPC-2的FTIR谱图；FJH-HPC-2的高分辨XPS谱：(d) C 1s, (e) N 1s, (f) O 1s；(g) XPS全谱；(h) FJH-HPC-2的N₂吸附-脱附等温线；(i) 孔径分布曲线；(j) 孔径依赖的离子去溶剂化与传输行为示意图。

XRD（图2a）显示所有样品在22°附近有宽峰，对应无定形碳(002)面。拉曼（图2b）中Aᴅ/Aɢ值表明FJH-HPC-2具有适中的缺陷度与石墨化微区。FTIR（图2c）显示C=C、C-O、C-N等官能团。XPS（图2d-g）证实N以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮形式存在，O以C-O和C=O形式存在。N₂吸附（图2h）显示FJH-HPC-2为I/IV型混合等温线，BET比表面积457 m²/g，总孔容0.81 cm³/g。孔径分布（图2i）在0.76 nm和1.3 nm处有主峰，与TEATFB/AN离子尺寸匹配。图2j示意了孔径与离子去溶剂化的关系：大孔中离子完全溶剂化；尺寸匹配孔中发生部分去溶剂化，离子紧密排列；过小孔则离子无法进入。

图3：三电极电化学性能

(a) 1 A/g下的GCD曲线；(b) 10 mV/s下的CV曲线；(c) Nyquist图；(d) 倍率性能；(e) FJH-HPC-2在不同电流密度下的GCD曲线；(f) 不同扫速下的CV曲线；(g) FJH-HPC-2的log(i) vs. log(v)关系；(h) 30 mV/s下的电容贡献；(i) 不同扫速下电容贡献比例变化。

GCD图显示FJH-HPC-2放电时间最长，比电容406.9 F/g。CV（图3b）呈类矩形，面积最大。EIS（图3c）中FJH-HPC-2的Rₛ=0.38 Ω，R_ct=0.06 Ω，表明导电性和电荷转移优异。倍率性能中FJH-HPC-2保持率高。图3g中b值接近1，表明表面电容控制为主。图3h,i显示电容贡献随扫速增加而增大，扩散贡献减小。

图4：对称器件性能

(a) 6 M KOH中器件组装示意图；在6 M KOH中的(b) GCD和(c) CV曲线；在1 M Na₂SO₄中的(d) GCD和(e) CV曲线；在1 M TEATFB/AN中的(f) GCD和(g) CV曲线；(h) 6 M KOH中2 A/g下的循环稳定性（插图：LED点亮照片）；(i) Ragone图（与文献对比）。

器件在6 M KOH中GCD为良好三角形，CV矩形。在1 M Na₂SO₄中同样表现出优异可逆性。在TEATFB/AN中（图4f,g），电压窗口高达2.4 V，比电容176.2 F/g（1 A/g）。10,000次循环后容量保持率99.81%（图4h），可点亮LED。Ragone图（图4i）显示能量密度30.17 Wh/kg（1200 W/kg），优于文献报道。

 总结与展望

本研究通过快速焦耳热辅助KOH活化，在4秒内成功制备了氮氧共掺杂的分级多孔碳。该方法的关键优势在于：（1）超快加热-冷却过程保留了杂原子并构建了分级孔结构；（2）通过调控KOH比例实现了与电解质离子尺寸匹配的孔径（<0.76 nm和~1.3 nm），促进离子去溶剂化，提升电容；（3）氮氧共掺杂改善了表面润湿性和导电性。所制备的FJH-HPC-2在超级电容器中展现出卓越的比电容、倍率性能和循环稳定性。该策略为快速、可控制备高性能碳电极材料提供了新思路。未来可通过进一步优化前驱体组成和焦耳热参数，拓展至其他能源存储器件。

通讯作者简介

郭继玺，新疆大学化学学院，教授，博士生导师。2011年毕业于新疆大学，获得理学博士学位。2011年至今任教于新疆大学；2025年4月任新疆大学研究生院副院长。研究方向为碳基功能材料（多孔碳、石墨烯、碳纳米复合材料）的设计合成及其在超级电容器、电池等储能器件中的应用。主要学术成果包括以第一作者及通讯作者身份在 J. Am. Chem. Soc.、Sci. Bull.、ACS Energy Lett.、ACS Appl. Energy Mater.、Carbon、J. Power Sources 等期刊发表论文多篇，主持多项国家自然科学基金、新疆维吾尔自治区科技创新领军人才等项目。

吴雪岩，新疆大学化学学院，教授，博士生导师。研究方向为煤/半焦基碳材料的可控合成及其在超级电容器、电池中的应用。主要学术贡献包括以通讯作者在Advanced Fiber Materials、 Desalination、Journal of Colloid and Interface Science、 ACS Appl. Energy Mater.、J. Power Sources、Carbon 等期刊发表论文多篇，主持中央引导地方科技发展专项子课题、国家自然科学基金及新疆自治区自然科学基金等项目。

本文使用的焦耳加热装置是由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可!

焦耳加热装置

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